計算機網(wǎng)絡技術第3章-網(wǎng)絡體系結構課件

1、計算機網(wǎng)絡技術（Ver4）第三章 網(wǎng)絡體系結構【摘要】網(wǎng)絡體系結構的基本思想就是在計算機網(wǎng)絡的設計中采用分層的設計方法，使相互通信的兩個計算機系統(tǒng)達到高度協(xié)調工作的目的。本章將比較詳細地講解開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM）各層的功能，從網(wǎng)絡體系結構內部了解計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理與通信的整個過程。第三章 網(wǎng)絡體系結構 訓教重點 網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡體系結構 開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM）各層功能 數(shù)據(jù)段、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)幀、比特（Bit）分別對應的層次 能力目標 掌握網(wǎng)絡協(xié)議概念和原理 掌握網(wǎng)絡體系結構中各層功能和各層間的關系 能夠描述兩個系統(tǒng)通過OSI模型進行通信的過程 能夠描述數(shù)據(jù)封裝的過程 掌

2、握數(shù)據(jù)在OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的封裝格式第三章 網(wǎng)絡體系結構 3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.2 物理層 3.4 網(wǎng)絡層 3.6 網(wǎng)絡高層 3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.5 傳輸層 3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.1 基本概念 協(xié)議：為計算機網(wǎng)絡中相互通信的對等實體之間的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定的集合稱為網(wǎng)絡協(xié)議（Protocol）。網(wǎng)絡協(xié)議主要由下列三個要素組成： （1）語義（Semantics）。確定協(xié)議元素的類型，如規(guī)定通信雙方要發(fā)出的控制信息、執(zhí)行的動作和返回的應答等。 （2）語法（Syntax）。主要是確定協(xié)議元素的格式。它涉及數(shù)據(jù)及控制信息的格式、編碼及信號電平等。 （

3、3）定時（Timing）。是事件實現(xiàn)順序的詳細說明。它涉及速度匹配和排序等。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.2 開放系統(tǒng)互連參考模型 國際標準化組織（ISO）于1977年建立了一個分會進行計算機網(wǎng)絡體系結構的研究，提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model）。所謂“開放”表示能使任何兩個遵守參考模型和有關標準的系統(tǒng)互連、互通、互操作。OSI包括了體系結構、服務定義和協(xié)議規(guī)范三級抽象。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.3 OSI分層結構 【圖例】第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體

4、系結構 3.1.3 OSI分層結構 1物理層 物理層主要功能是為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個物理連接，以保證在通信信道上“透明”地傳輸數(shù)據(jù)（比特流）。傳輸介質可以是多種多樣的，雙絞線、同軸電纜、光纖或其他，如微波等。物理層協(xié)議的目的是要屏蔽掉各種傳輸介質的差異性，以實現(xiàn)傳輸介質對計算機系統(tǒng)的獨立性。該層的數(shù)據(jù)單元是比特（Bit）。2數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層主要功能是在物理層提供的服務基礎上，在通信實體之間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，無差錯地傳輸數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的目的是把一條有可能出錯的物理鏈路變成讓網(wǎng)絡層實體看起來是一條不會出錯的數(shù)據(jù)鏈路。該層的數(shù)據(jù)單元是幀（Frame）。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系

5、結構 3.1.3 OSI分層結構 3網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層主要功能是為數(shù)據(jù)分組進行路由選擇，并負責通信子網(wǎng)的流量控制、擁塞控制。對于一個通信子網(wǎng)，各結點只包含低三層。該層的數(shù)據(jù)單元是數(shù)據(jù)包（Packet）。4傳輸層 傳輸層主要功能是為會話層提供一個可靠的端到端連接，以便使兩個系統(tǒng)之間透明地傳輸報文。該層的數(shù)據(jù)單元是數(shù)據(jù)段（Segment）。5會話層 會話層主要功能是在傳輸層提供的可靠的端到端的連接的基礎上，在兩個應用進程之間建立會話連接，并對“會話”進行管理，保證“會話”的可靠性。會話層及以上的數(shù)據(jù)單元都稱為報文（Message）。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.3 OSI分層結構

6、6表示層 表示層主要功能是完成被傳輸數(shù)據(jù)的表示工作，如數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)壓縮等語法變換服務。7應用層 應用層作為參考模型的最高層，其功能與應用進程有關，如虛擬終端、文件傳輸、電子郵件、遠程登錄等。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.4 OSI 數(shù)據(jù)傳送單元 在OSI參考模型中，各種數(shù)據(jù)傳輸單元分為三種：1協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU PDU是某層對等實體之間進行通信時，該層協(xié)議所操縱的數(shù)據(jù)單元，由協(xié)議控制信息PCI（Protocol Control Information）和用戶數(shù)據(jù)信息UDI（User Data Information）兩部分組成，即PDU=PCI+UDI

7、。2接口數(shù)據(jù)單元IDU 在同一系統(tǒng)相鄰兩層實體之間的交互中，經(jīng)過層間接口的數(shù)據(jù)單元就是接口數(shù)據(jù)單元IDU。因此，IDU就是層間接口實際所操作的數(shù)據(jù)單元。3服務數(shù)據(jù)單元SDU 在同一系統(tǒng)相鄰兩層實體之間的交互中，下層向上層提供服務時所使用的數(shù)據(jù)單元。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.5 OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸過程 【圖例】第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.5 OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸過程 （1）當源計算機的應用進程I的數(shù)據(jù)傳送到應用層時，應用層加上本層的控制報頭AH，組成應用層的數(shù)據(jù)單元，然后送到表示層。（2）表示層收到數(shù)據(jù)以后，加上本層的控制報頭PH，組成表示層的

8、數(shù)據(jù)單元，送到會話層。（3）會話層收到數(shù)據(jù)以后，同樣加上本層的控制報頭SH，組成會話層的數(shù)據(jù)單元，送到傳輸層。（4）傳輸層收到這個數(shù)據(jù)以后，加上本層的控制報頭TH，組成傳輸層的數(shù)據(jù)單元，這時就稱為報文。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.1 網(wǎng)絡體系結構 3.1.5 OSI環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸過程 第4章目錄（5）傳輸層的報文送到網(wǎng)絡層時，由于網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)單元的長度的限制，傳輸層的報文將被分割成多個較短的數(shù)據(jù)字段，加上網(wǎng)絡層的控制報頭NH，構成網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)單元，即分組。（6）當網(wǎng)絡層的分組到達數(shù)據(jù)鏈路層以后，在分組的前后加上數(shù)據(jù)鏈路層的控制報頭DH，就構成了數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)單元，即幀。（7）數(shù)據(jù)鏈路層的幀到達物

9、理層以后，物理層將以比特流的方式，把數(shù)據(jù)通過傳輸介質傳輸出去。（8）當比特流到達目的計算機時，再從物理層依次往上傳輸，每層去掉本層的控制報頭，將數(shù)據(jù)上傳到上一層，最終傳到目的計算機的應用進程II。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.2 物理層 3.2.1 物理層概述 物理層位于OSI參考模型的最底層，它向下是物理設備之間的接口，直接與傳輸介質相連接，使二進制數(shù)據(jù)流通過該接口從一臺設備傳給相鄰的另一臺設備，且為上層數(shù)據(jù)鏈路層提供服務。 物理層的主要功能就是為它的服務用戶（即數(shù)據(jù)鏈路層的實體）在具體的物理媒體上提供發(fā)送或接收比特流的能力。 與傳輸介質接口有關的一些特性，即機械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性

10、。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.2 物理層 3.2.1 物理層概述 標準化的DTE-DCE接口包括以下四個方面的特性：（1）機械特性。物理層的機械特性規(guī)定了連接時所采用的可接插連接器的規(guī)格和尺寸、連接器中引腳的數(shù)目和排列情況等。（2）電氣特性。物理層的電氣特性規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號電壓高低、阻抗匹配情況、傳輸速率和距離的限制等。（3）功能特性。物理層的功能特性規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。（4）規(guī)程特性。物理層的規(guī)程特性規(guī)定了利用信號線進行比特流傳輸?shù)囊唤M操作過程，即各信號線的工作規(guī)則和先后順序。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.2 物理層 3.2.2 物理層協(xié)議

11、描述 1EIA RS-232C接口標準 EIA RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industries Association）在1969年頒布的一種目前使用最廣泛的串行物理接口標準。 RS（Recommended Standard）的意思是“推薦標準”，232是標識號碼，而后綴“C”則表示是RS-232標準的最新一次修訂。 RS-232C標準是目前用來連接DTE（主機或終端）與DCE（調制解調器）設備最流行的標準接口。大多數(shù)主要的調制解調器和DTE制造商都已把其設備設計得符合RS-232C標準規(guī)格。由于EIA促進了其標準化工作，因此，RS-232C常常簡稱為EI

12、A接口。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.2 物理層 3.2.2 物理層協(xié)議描述 2EIA RS-232C特性（1）機械特性。RS-232C的機械特性規(guī)定了它是一個25芯的標準連接器，并對該連接器的尺寸及針或孔芯的排列位置等都做了詳細說明。實際的用戶并不一定用到RS-232C標準的全集，一些廠家對該標準的機械特性做了變通的簡化，使用了一個9芯標準連接器，將不常用的信號線舍棄。（2）電氣特性。RS-232C的電氣特性對它所用的信號作出了統(tǒng)一的規(guī)定，主要是為了保證二進制數(shù)據(jù)正確傳送和設備控制正確完成。 （3）功能特性。定義了接口信號線所具有的特定功能。通常信號線可分為四類：數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。 第

13、三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述 數(shù)據(jù)鏈路層的作用就是：將物理層傳輸原始比特流而提供的可能出差錯的鏈路改造成為邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能如下：（1）鏈路管理（Link Management）：主要負責數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放。（2）幀同步（Frame Synchronism）：指接收方應能從收到的比特流中明確區(qū)分出一幀的開始和結束在什么地方。（3）流量控制（Flow Control）：流量控制實際上指的是對發(fā)送方數(shù)據(jù)流量的控制，使其發(fā)送速率不會超過接收方所能處理的速率。（4

14、）差錯控制（Error Control）：在計算機通信中，往往要求有極低的比特差錯率。這就要求通信系統(tǒng)必須具備發(fā)現(xiàn)（即檢測）差錯的能力，并采取措施進行糾正，使差錯控制在所能允許的盡可能小的范圍內，這就是差錯控制過程。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：（5）組幀（Frame Encapsulation）：將從網(wǎng)絡層傳來的分組數(shù)據(jù)進行分割，按照一定的格式組成若干個“幀”，以幀為單位進行傳輸。（6）透明傳輸（Transparent Transmission）：就是不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳輸。（7）尋址（Addres

15、sing）：在多點連接或多條數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下，提供數(shù)據(jù)鏈路端口標識的識別，支持網(wǎng)絡層實體建立網(wǎng)絡連接，以保證每一幀都能送到正確的目的地址。接收端也應該知道發(fā)送端是哪一個結點。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議描述 第4章目錄 數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程也稱數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，也就是OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。一般分為： 面向字符：是指鏈路上所傳送的數(shù)據(jù)必須是由規(guī)定字符集中的字符所組成。 面向字節(jié)：是以字節(jié)作為協(xié)議數(shù)據(jù)單元長度的基本計數(shù)單位。 面向比特：以特定的二進制比特組合來定義協(xié)議的控制標識符，以二進制比特作為協(xié)議的數(shù)據(jù)單元長度的基本計數(shù)單位，而且不論數(shù)據(jù)或單獨

16、的控制信息，都以幀為單元傳送。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.3 差錯與流量控制 數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸時，必須進行差錯控制。 1XON/XOFF方案 它是一種與差錯無關的純流量控制技術，是在接收端來進行控制的。當接收緩沖區(qū)達到規(guī)定的上限值時，向發(fā)送端發(fā)送XOFF控制字符。發(fā)送端收到此字符以后，便暫時停止發(fā)送，等待接收端處理緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。當接收端緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)占據(jù)量下降到規(guī)定的下限時，向發(fā)送端發(fā)送XON字符，發(fā)送端接收到XON字符以后，便可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.3 差錯與流量控制 2停止等待協(xié)議 一次發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，便停止發(fā)送，等待接

17、收端的響應幀，根據(jù)響應幀的情況，再進行相應的處理。 有以下幾種情況：（1）發(fā)送端的數(shù)據(jù)被正確地接收，接收端給發(fā)送端發(fā)送ACK確認幀，發(fā)送端收到ACK以后，便可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了。（2）發(fā)送端的數(shù)據(jù)被錯誤地接收，接收端給發(fā)送端發(fā)送NAK否認幀，發(fā)送端收到NAK以后，便重新發(fā)送，直到正確為止。（3）如果發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀在傳送過程中丟失，則接收端無響應幀給發(fā)送端，發(fā)送端將無限地等待下去，從而造成死鎖。為解決此問題，我們可在發(fā)送端設置一個計時器來解決此問題，超過規(guī)定時間而沒有收到響應幀，將重新發(fā)送數(shù)據(jù)。（4）發(fā)送端的數(shù)據(jù)被正確地送達到接收端，但是響應幀丟失，接收端將收到重復的數(shù)據(jù)幀。為解決此問題，可在發(fā)送

18、的數(shù)據(jù)中加入序號。一旦收到重復的數(shù)據(jù)幀，便將其丟棄。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.3 數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.3 差錯與流量控制 3連續(xù)ARQ協(xié)議 在連續(xù)ARQ協(xié)議中，發(fā)送端在沒有收到響應幀之前，可以連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)。由于鏈路不可靠，有可能出錯，因此發(fā)送端需要有一個較大的緩沖區(qū)，以保存發(fā)送過的數(shù)據(jù)的拷貝。為了區(qū)分這些數(shù)據(jù)，還要對它們編號來加以區(qū)別。接收端按照順序來接收數(shù)據(jù)，每收到一個正確的數(shù)據(jù)幀，就返回一個確認幀，發(fā)送端將從緩沖區(qū)中刪除該拷貝；如收到錯誤的數(shù)據(jù)幀，返回一個否認幀，并丟棄該幀以及該幀以后所有的幀。發(fā)送端收到否認幀，將重新發(fā)送該幀及該幀以后的所有的幀。超時情況的處理與停止等待的處理相似。 第三

19、章 網(wǎng)絡體系結構3.4 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層的目的是實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括路由選擇、阻塞控制和網(wǎng)際互連。 網(wǎng)絡層向上提供的服務有兩大類，即面向連接的網(wǎng)絡服務和無連接的網(wǎng)絡服務。其中面向連接的網(wǎng)絡服務又稱虛電路服務，它分為連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放三個階段，是網(wǎng)絡層向傳輸層提供的一種可靠的數(shù)據(jù)傳送方式，所有分組按照發(fā)送順序到達。進行數(shù)據(jù)交換的兩個端系統(tǒng)之間有一條虛電路（網(wǎng)絡連接）為它們服務；而無連接的網(wǎng)絡服務又常稱為數(shù)據(jù)報服務。這種服務在兩個實體之間進行通信時，不需要事先建立好一個連接，即沒有連接建立和連接釋放的過程，只要在每一個發(fā)送的分組中攜帶完整的目的結點地址信息，便可由

20、每一個分組獨立地選擇路由，但不能保證所有分組按發(fā)送順序交付給目的結點，而且也有丟失分組的情況，故稱之為無連接的不可靠的服務。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.4 網(wǎng)絡層1虛電路方式 在虛電路（Virtual Circuit）方式中，為進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡的源結點和目的結點之間必須為分組的傳輸預先建立一條邏輯通道，因為這條邏輯通道不是專用的，所以稱之為“虛”電路。 對于虛電路來說，它首先需通過虛呼叫在兩個結點之間建立臨時連接。它的通信過程可以分為三個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.4 網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)報 在數(shù)據(jù)報（Datagram）方式中，每個分組被稱為一個數(shù)據(jù)報。每個數(shù)據(jù)報自身必

21、須包含有目的端的完整地址信息。它的傳送是被單獨處理的。一個結點接收到一個數(shù)據(jù)報后，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的地址信息和結點所存儲的路由信息，找出一個合適的出路，把數(shù)據(jù)報原封不動地發(fā)送到下一個結點。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.5 傳輸層 傳輸層的兩個主要目的是：提供可靠的端到端的通信和向會話層提供獨立于網(wǎng)絡的傳輸服務。3.5.1 傳輸層協(xié)議的分類 1服務質量 服務質量（Quality of Service，QoS）是指在傳輸連接點之間看到的某些傳輸連接的特征，是傳輸層性能的度量，反映了傳輸質量及服務的可用性。根據(jù)用戶要求和差錯性質，網(wǎng)絡服務質量分成三種類型。第三章 網(wǎng)絡體系結構第三章 網(wǎng)絡體系結構3.5 傳輸

22、層 3.5.1 傳輸層協(xié)議的分類 1服務質量（1）A型網(wǎng)絡服務。具有可接受的殘差率和故障告知率。殘差率指未改正的差錯且不通知傳輸層；故障告知率是指網(wǎng)絡層通知傳輸層的網(wǎng)絡連接釋放或網(wǎng)絡連接復位。 （2）B型網(wǎng)絡服務。具有可接受的殘差率和不可接受的故障告知率。 （3）C型網(wǎng)絡服務。具有不可接受的殘差率。 第三章 網(wǎng)絡體系結構3.5 傳輸層 3.5.1 傳輸層協(xié)議的分類 2傳輸協(xié)議的分類（1）第0類（TP0）。簡單類，TP0提供最簡單的協(xié)議機制，以支持A型網(wǎng)絡。（2）第1類（TP1）?；静铄e恢復類。TP1是比較簡單的傳輸協(xié)議，它適用于B型網(wǎng)絡連接（3）第2類（TP2）。復用類。TP2適用于A型網(wǎng)絡

23、連接。它基本上是對TP0類的增強，允許多路復用。（4）第3類（TP3）。差錯恢復與復用類。TP3適用于B型網(wǎng)絡連接，它具有TP1和TP2的功（5）第4類（TP4）。差錯檢測和復用類。TP4是最復雜的傳輸協(xié)議，適用于C型網(wǎng)絡連接。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.5 傳輸層 3.5.2 傳輸服務 1服務類型 傳輸服務有兩大類：面向連接的傳輸服務與無連接的傳輸服務。 2傳輸連接的管理 傳輸連接管理的主要內容是建立連接和釋放連接。 3數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿帐窃趦蓚€傳輸實體之間傳輸用戶數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。一般采用全雙工服務，也可采用半雙工服務。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.6 網(wǎng)絡高層 3.6.1 會話層 1會話連接管

24、理（1）建立連接。會話連接是建立在傳輸連接的基礎上的，會話與傳輸?shù)倪B接有3種對應關系，即一對一、一對多和多對一。（2）維持連接。維持連接是在建立連接的兩個會話服務用戶之間，進行數(shù)據(jù)交換的階段。（3）釋放連接。有兩種釋放方式：有序釋放和突然釋放。有序釋放是經(jīng)雙方同意后，會話才終止；突然釋放是雙方中的任意一方不經(jīng)協(xié)商而立即釋放，這樣有可能造成數(shù)據(jù)的丟失。2會話活動管理 在一個會話連接的持續(xù)期間，連接有可能出錯。為解決此問題，可在會話層設置一些同步點。這樣出現(xiàn)錯誤以后，可返回到出現(xiàn)錯誤前的同步點進行重復，而不必全部重復。3數(shù)據(jù)交換管理 在會話連接上，正常的數(shù)據(jù)交換方式是全雙工，但也允許用戶定義另兩種方式：單工方式和半雙工方式。第三章 網(wǎng)絡體系結構3.6 網(wǎng)絡高層 3.6.2 表示層 目的是為了解決不同開放系統(tǒng)互連